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第一章第一章交流感应式电能表的结构和工作原理第一节单相交流感应式有功电能表的结构第二节单相交流感应式有功电能表的工作原理第三节三相交流感应式电能表的结构第四节计度器的积算原理第一节单相交流感应式有功电能表的结构感应式电能表的优点:结构简单、工作可靠、维护方便、调整容易。缺点:体积大、制造精度不容易提高。第一节单相交流感应式有功电能表的结构一、电能表的分类二、电能表的结构一、电能表的分类1.按使用电源性质分类可分为交流电能表和直流电能表2.按结构和原理分类可分为感应式电能表和电子式电能表3.按准确度等级分类可分为普通安装式电能表(0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级)和携带式精密级电能表(0.01、0.02、0.05、0.1、0.2级)4.按用途分类可分为工业与民用电能表及特殊用途电能表二、电能表的结构电能表一般由测量机构和辅助部件这两大部分组成(一)测量机构(图1-1)测量机构是电能表实现电能测量的核心部分,它由驱动元件、转动元件、制动元件、轴承和计度器五大部分组成。二、电能表的结构1.驱动元件(电磁元件)包括电压元件和电流元件二、电能表的结构(测量机构)它的作用是接受被测电路的电压和电流,并产生交变磁通,此交变磁通通过转盘时,在转盘内产生感应电流,交变磁通和感应电流相互作用,产生驱动力矩,使转盘转动。二、电能表的结构(测量机构)(1)电压元件•由电压铁芯1、电压线圈13和回磁极12组成。•电压铁芯采用0.35~0.5mm厚的硅钢片叠成。•电压线圈的特点是匝数多、线径细。•电压线圈接到被测电路的电压回路,与负载是并联连接。•电能表接入被测电路后,不论有无负载电流,电压线圈总是带电,成年累月地消耗电能,一般要求功率消耗不超过1.5W。•回磁极固定在电压铁芯上,它的作用是构成电压工作磁通回路。二、电能表的结构(测量机构)(2)电流元件•由电流元件由电流铁芯2和电流线圈14组成。•电流铁芯是由0.35~0.5mm厚优质硅钢片叠成“U”形,电流线圈通常分为匝数相等的两部分,分别绕在“U”形铁芯的两柱上,其绕向相反,以保证电流磁通在铁芯内的方向相同,如图1-3所示。•电流线圈的特点是匝数少、线径粗。•电流线圈接到被测电路后,与负载是串联连接。二、电能表的结构(测量机构)驱动元件的布置形式驱动元件相对于转盘的位置,可分为切线式和辐射式两种。切线式驱动元件垂直于转盘半径方向放置,如图1-4(a)所示;辐射式驱动元件平行于转盘半径方向放置,如图1-4(b)所示。2.转动元件•由转盘3和转轴4组成,转盘用纯铝板制成,转盘边缘涂以计算转数的标记。转轴一般用铝或铜合金棒制成,转轴上装有蜗杆,蜗杆与计度器9上的蜗轮7相啮合,转轴上还装有钢丝制成的防潜针,用以防止潜动。•转动元件的作用是在电能表工作时,把转盘转动的转数传递给计度器。二、电能表的结构(测量机构)3.制动元件•由永久磁铁及其调整装置组成。•它的作用是产生与驱动力矩方向相反的制动力矩,以便使转盘的转动速度与被测电路的功率成正比。•制动元件按永久磁铁的结构形式及其在转盘上的布置方式,可分为如图1-6所示的几种。二、电能表的结构(测量机构)二、电能表的结构(测量机构)它由上、下轴承组成。上轴承位于转轴上端,起定位和导向作用。图1-7为一种常见的上轴承结构。下轴承位于转轴下端,用以支撑转动元件的全部重量。4.轴承二、电能表的结构(测量机构)二、电能表的结构(测量机构)4.轴承现代电能表的轴承结构主要有两种。(1)钢珠宝石轴承。它又可分为单宝石和双宝石轴承,其结构的基本类型有三种,如图1-8所示。(2)磁力轴承。它的类型主要有两种,如图l-9所示。磁推轴承利用下轴承采用的磁铁之间的排斥力支撑转动元件,而磁悬轴承利用上轴承采用的磁铁之间的吸引力,将转动元件悬浮于空间。二、电能表的结构(测量机构)二、电能表的结构(测量机构)5.计度器计度器的作用是累计电能表转盘的转数,并通过齿轮比换算为电能单位的指示值。目前,计度器主要有两种形式:指针式和字轮式。它们的板面如图1-10所示。较常见的为字轮式计度器,其结构如图1-11所示。字轮式计度器有一个重要的参数即传动比。二、电能表的结构(测量机构)计度器的传动比是指其末位字轮转一圈时转盘的转数。二、电能表的结构(测量机构)二、电能表的结构(测量机构)(二)辅助部件它包括底座、表盖、基架、端钮盒和铭牌。1.底座底座的作用是将电能表基架、端钮盒及表盖固定在它的上面,并供电能表安装固定用。2.表盖表盖起密封和保护作用,通过透明部分可以看到转盘转动和计度器的示数。二、电能表的结构(辅助部件)3.基架基架的作用是用来支撑和固定测量机构及调整装置。4.端钮盒它的作用是用来将测量机构的电流、电压线圈与被测电路相连接。5.铭牌铭牌可以固定在计度器框架上,也可附在表盖上,示意图如图1-12所示。铭牌上标志的含义分别说明如下:二、电能表的结构(辅助部件)二、电能表的结构(辅助部件)二、电能表的结构(辅助部件)(1)计量单位名称或符号。(2)字轮式计度器的窗口。如有功电能表为“千瓦·时”或“kW·h”,无功电能表为“千乏·时”或“kvar·h”。整数位和小数位用不同颜色区分,中间有小数点。二、电能表的结构(辅助部件)(3)电能表的名称及型号。如单相电能表、DD862-4型,我国对电能表型号的表示方式规定如表1-1所示。二、电能表的结构(辅助部件)表示用途分类:A-安培小时计;D-多功能;H-总耗;M-脉冲;S-全电子式;Y-预付费;F-复费率二、电能表的结构(辅助部件)(4)基本电流和额定最大电流,其中基本电流用Ib表示;额定最大电流用Imax表示。如5(20)A,即电能表基本电流为5A,额定最大电流为20A。若电能表常数中已考虑互感器变比,还应标明互感器变比,如3×1000/5A。(5)额定电压,指的是确定电能表有关特性的电压值,以Ue表示。•三相三线电能表以相数乘以线电压表示,如3×380V;•三相四线电能表则以相数乘以相电压/线电压表示,如3×220/380V;•单相电能表则以电压线路接线端上的电压表示,如220V;•如果电能表通过测量用互感器接入电路,并且在常数中已考虑互感器变比时,应标明互感器变比,如3×6000/100V。二、电能表的结构(辅助部件)二、电能表的结构(辅助部件)(6)额定频率,我国工业频率规定为50Hz。(7)电能表常数,指的是电能表计度器的指示数和转盘转数之间的比例常数,用C表示如C=720r/(kW·h),说明转盘转了720r,计度器的指示数增加1kW·h。(8)准确度等级(精度),以圆圈中的等级数字表示,无标志时,单相电能表视为2.0级。(9)耐受环境条件的能力,分为P、S、A、B四组。(10)条形码电能表的质量是以准确度等级、过负载能力和一次使用寿命等几项指标为主要标志。二、电能表的结构(辅助部件)是一组黑白相间的条纹组成的标志。它能将电能表铭牌上的所有信息按一定的规律设置成一组条形码,通过条形码扫描器可将电能表的信息输入计算机,由计算机自动建立每只电能表的档案。第二节单相交流感应式有功电能表的工作原理一、转盘转动原理及驱动力矩表达式二、制动力矩三、转盘的转数和负载消耗电能的关系四、单相感应式电能表的相量图一、转盘转动原理及驱动力矩表达式当电能表接入被测电路并接通负载后,则转盘便开始不停地转动,转盘所以能转动,就是因为受到某种电磁力形成的驱动力矩作用,即转盘是个导体,其上有电流通过(形成了载流导体),在磁场作用下受力矩作用而转动。1.通过转盘的磁通当电能表的电压线圈和电流线圈接到被测电路后,相应地在电压铁芯和电流铁芯中产生了磁通,按右手螺旋法则可以分别确定出磁通的方向,如图1-14所示。一、转盘转动原理及驱动力矩表达式一、转盘转动原理及驱动力矩表达式电压线圈2通以电压u时,线圈中有iU通过,按图1-14所示的电压、电流正方向,根据右手螺旋法则,确定出磁通Φ∑U的正方向。磁通所通过的路径是一个闭合回路,据此分析出磁通Φ∑U的路径分成两部分:上磁轭中心柱下磁轭两边柱(2)磁通ΦU。它通过的路径是中心柱上磁轭两边柱回磁极气隙气隙转盘(1)磁通ΦUF。它通过的路径是由中心柱出发经上磁轭,再沿两边柱到下磁轭,然后回到中心柱形成闭合回路,即一、转盘转动原理及驱动力矩表达式•磁通ΦU路径穿过转盘,称为电压工作磁通,磁通ΦUF路径不穿过转盘,称为电压非工作磁通。当负载电流i通过电流线圈4时,产生了磁通Φ∑I,它也分为两部分。(1)磁通ΦI,它通过的路经是(2)磁通ΦIF它通过的路径一部分是沿电流铁芯、回磁极到电流铁芯另一边柱构成回路;另一部分是电流线圈的漏磁通,沿气隙而闭合。同理,穿过转盘的磁通ΦI称为电流工作磁通。电流铁芯气隙转盘气隙气隙转盘气隙电压铁芯一、转盘转动原理及驱动力矩表达式电压工作磁通ΦU一次穿过转盘,电流工作磁通ΦI从不同位置两次穿过转盘构成回路,对转盘而言,相当于有大小相等方向相反的两个电流工作磁通ΦI和ΦI′通过转盘,如图l-15所示。现规定:磁通从下往上通过转盘为N极,以“·”表示,磁通从上往下通过转盘为S极,以“×”表示,所以转盘上三个磁极的位置分别为A1(N极)、A2(N极)、A3(S极)。一、转盘转动原理及驱动力矩表达式交变的工作磁通ΦI、ΦI′和ΦU穿过转盘时,各工作磁通产生相应迟后90o的感应电动势ePI、ePI′和ePU以及感应电流iPI、iPI′和iPU,这就是转盘上电流产生的原因。2.旋转磁场由于磁通φI、φI′和φU随时间按正弦规律变化,可画出各工作磁通随时间变化的关系曲线,如图1-17(α)所示。当磁通穿过转盘时,在转盘上呈现的磁极极性及磁通量的大小也在变化,对时间t1至t4各瞬时来说,它们的变化情况如图1-17(b)所示。一、转盘转动原理及驱动力矩表达式从图1-17(b)中得到,穿过转盘磁通最大值从磁极A1向磁极A3逐渐移动,在一个周期内,它经过了所有3个磁极,我们可看作有个磁场不断重复地从磁极A1移向A3,这就是旋转磁场。一、转盘转动原理及驱动力矩表达式3.驱动力矩MQ它表明:电能表的驱动力矩和穿过转盘的两个工作磁通以及它们之间相位差的正弦值乘积成正比。sinUIQKM一、转盘转动原理及驱动力矩表达式从以上讨论中我们得到电能表转盘的旋转方向决定于旋转磁场方向,若改变旋转磁场方向,电能表的转向也随之改变。因此,若电流磁通方向改变(即电流线圈中电流方向改变)或电压磁通方向改变(即电压线圈中电流方向改变),都将改变电能表的转动方向。4.驱动力矩和负载功率的关系若忽略电能表电压线圈中的阻抗压降,则加在电压线圈上的电压U与电压线圈中的感应电动势E相平衡,即又根据磁路欧姆定律,流经电流线圈的负载电流I和电流工作磁通ΦI的关系为要使电能表能正确地测量有功电能,就要求驱动力矩MQ必须正比于被测负载的有功功率fWEUUU44.4UUKUmIIRIW2IKIIKPKUIKUIMQcossin一、转盘转动原理及驱动力矩表达式一、转盘转动原理及驱动力矩表达式由此可见,单相有功电能表正确计量的条件应满足:(1)电流工作磁通ΦI正比于负载电流I。(2)电压工作磁通ΦU正比于电压U。(3)ψ=90o±φ,这一条件称为正交条件。从上面的讨论中,可以得出以下结论:一、转盘转动原理及驱动力矩表达式(1)两个交变的磁通彼此在时间上有不同的相位,在空间上有不同的位置,才能产生驱动力矩。(2)转盘的转动方向是由时间上超前的磁通指向迟后的磁通。二、制动力矩为了使转盘在恒定的负载功率下做等速旋转,就需对转盘施加一个与驱动力矩大小相等、方向相反的反作用力矩,称为制动力矩,为此设置永久磁铁。二、制动力矩图1-19表示出永久磁铁和转盘的相对位置,永久磁铁1中的磁通ФT从N极出发经过气隙→转盘→气隙→永久磁铁的S极,然后再沿永久磁铁的磁轭回到N极构成回路,此磁通是不随时间变化的。制动力矩MT。它等于因为制动力FT=K1ФTIT,而感应电流IT=K2ФTn,所以TTThFMnKhnKhnKKMTTTTTTTTT2
本文标题:第一章--交流感应式电能表的结构和工作原理
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